氮化鎵場效應(yīng)晶體管與硅功率器件包絡(luò)跟蹤比較 - 全文

用于射頻(RF)放大器的包絡(luò)跟蹤(ET) 并不是一個(gè)全新的概念，但隨著我們需要移動電話具備更長的電池壽命、基站需具備更高電源效率，以及昂貴的射頻傳送器需要實(shí)現(xiàn)更大輸出功率，使用包絡(luò)跟蹤來 改善射頻功放(PA)系統(tǒng)的效率逐漸成為了研發(fā)的重要議題。包絡(luò)跟蹤能否提高效率關(guān)鍵在于功放的峰值與平均功率比(PAPR)的要求。圖1展示了在使用固 定的供電電壓時(shí)，功放的峰值效率可以高達(dá)65%，但由于給定的峰均比(PAPR)高達(dá)10，因此，平均效率有可能低于25%。通過調(diào)制功放的供電電壓，可 改善功放平均效率達(dá)50%以上——相當(dāng)于效率增長達(dá)一倍和減少功放損耗達(dá)三分之二。這樣不僅降低功耗，也降低操作成本，并滿足散熱及尺寸等各方面的要求。

但 如何能夠產(chǎn)生所要求的快速變化、帶寬處于數(shù)十兆赫茲(MHz)范圍的供電電壓？我們可以通過不同的方法來實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)方法是使用如圖2所示的混合式線性 放大器和多相降壓轉(zhuǎn)換器，其中降壓轉(zhuǎn)換器只給負(fù)載組件/系列的傅里葉大功率、低頻部分供電。我們也有討論其他實(shí)現(xiàn)方法，如使用升壓轉(zhuǎn)換器或S類放大器。無 論使用哪一個(gè)方法，氮化鎵技術(shù)可以推動包絡(luò)跟蹤轉(zhuǎn)換器和寬帶RFPA設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)多相降壓轉(zhuǎn)換器通常要求開關(guān)頻率與所需ET帶 寬相比高出5至10倍，不過對通過混合解決方案和/或非線性控制來提升轉(zhuǎn)換器有效帶寬的研究表明，這種方法可以顯著降低所需的降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率。為了達(dá) 到可接受的效率和帶寬，仍然有可能要求使用大量的交織相位。本文展示氮化鎵場效應(yīng)晶體管并配合LM5113半橋驅(qū)動器可容易地實(shí)現(xiàn)的功率及效率。

圖1：理想功放效率與使用固定供電電壓時(shí)輸出功率及包絡(luò)跟蹤工作時(shí)的比較。

圖2：在射頻功率放大器作包絡(luò)跟蹤供電時(shí)，實(shí)現(xiàn)線性輔助開關(guān)。

實(shí)驗(yàn)裝置

要 實(shí)現(xiàn)包絡(luò)跟蹤需要高PAPR比，這也意味著平均輸出電壓通常在降壓轉(zhuǎn)換器供電電壓范圍的30%至50%之間，并允許在這個(gè)平均值以上及以下有短暫的漂移時(shí) 間。因此，作為演示用途，可以使用具有相同占空比的穩(wěn)態(tài)降壓轉(zhuǎn)換器來確定多相包絡(luò)跟蹤降壓轉(zhuǎn)換器對效率和熱性能的要求，這個(gè)可以進(jìn)一步簡化為對單相評估， 因?yàn)樗邢鄶?shù)都是完全相同的。

表1列出了該實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)格，而圖3以圖像展示該設(shè)置。這些規(guī)格代表基于高壓LDMOS的數(shù)字視頻廣播 (DVB)發(fā)射機(jī)所使用的大功率包絡(luò)跟蹤降壓開關(guān)的要求，例如包絡(luò)跟蹤專家Nujira所使用的規(guī)格。圖3展示了在滿功率時(shí)每個(gè)元件的功率損耗估值，包括 PCB內(nèi)部的傳導(dǎo)損耗。

本文所載的是從標(biāo)準(zhǔn)PC9002或EPC9006開發(fā)板出發(fā)所得出的結(jié)果。選擇這些開發(fā)板是因?yàn)?00V器件性能及易于使用，并基于它們相對的晶片 大小選擇相應(yīng)的工作頻率。為了改善標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)板的熱性能表現(xiàn)，在氮化鎵場效率管上增加一個(gè)面積為15平方毫米、高為9.5毫米的翅片式散熱器。散熱器數(shù)據(jù)手 冊記載的熱阻值在200 LFM時(shí)，約為12 ℃/W。在散熱器超過一半面積上使用GapPad GP 1500 (60mil厚)，將散熱器固定到電路板上，而覆蓋氮化鎵場效應(yīng)管的面積部分則使用兩層Sarcon 30x-m進(jìn)行填充。將散熱器位置調(diào)整到剛好覆蓋氮化鎵場效應(yīng)管，以方便使用熱紅外(IR)相機(jī)測量與器件直接相鄰的PCB溫度。然后利用覆蓋有粘性銅帶 的絕緣聚酰亞胺層，將輸出電感和輸出電容放置在各個(gè)相關(guān)開發(fā)板的底部，形成輸出連接。為gating信號提供使用HP8012B脈沖發(fā)生器的開環(huán)。接著增 加有源負(fù)載，然后在零至滿載范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。效率可以使用開發(fā)板上的Kelvin檢測點(diǎn)和輸出電容端的附加Kelvin點(diǎn)進(jìn)行測量。在每個(gè)測量點(diǎn)調(diào)整輸入 電壓和占空比。

表1：給包絡(luò)跟蹤應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)性高頻降壓轉(zhuǎn)換器規(guī)格。

電感損耗

兩 個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率結(jié)果如圖5所示，這包括兩個(gè)案例中約為100 mW的驅(qū)動器損耗。EPC9002 開發(fā)板的初始熱性能結(jié)果顯示PCB過熱，這是由于所選輸出電感器的損耗進(jìn)入了PCB導(dǎo)致的。因此，可通過提高電感器與電路板的距離來降低電路板的溫度。滿 載時(shí)的峰值電感溫度可達(dá)90℃?？梢酝ㄟ^計(jì)算滿載功率損失、PCB溫度和估計(jì)元件損耗來估計(jì)結(jié)溫和熱功率流。熱性能圖像和等效熱網(wǎng)絡(luò)圖見圖7、圖8。

圖3：修改后的EPC9006和EPC9002開發(fā)板實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖4：實(shí)驗(yàn)板展示，標(biāo)準(zhǔn)及修改后的EPC9002/6開發(fā)板。

圖5：EPC9006及EPC9002演示板工作在輸入電壓為45V，輸出電壓為22V時(shí)的結(jié)果。

圖6：滿載輸出時(shí)的PCB的溫度熱性能圖像。

圖7：在132 W測試條件下，使用EPC9006開發(fā)板所估計(jì)熱性能的圖形。

圖8：在330 W測試條件下，使用EPC9002開發(fā)板所估計(jì)熱性能的圖行。

總結(jié)

以上的結(jié)果并沒有經(jīng)過優(yōu)化，因此未來還可以再進(jìn)一步改善。我們建議在效率方面有3個(gè)可改善的地方：

1）改善可選電感。

2）改善熱設(shè)計(jì)------使用更薄的熱界面材料層、更厚的PCB銅和安裝在低熱阻散熱器上的多相位方法。

3）通過減小低側(cè)器件體積來降低峰值器件溫度，從而減少高側(cè)QOSS損耗。

但是，結(jié)果展示為高功率包絡(luò)跟蹤應(yīng)用構(gòu)建一個(gè)使用氮化鎵場效應(yīng)晶體管降壓轉(zhuǎn)換器(如基站)是可行的。實(shí)際的功率電平和相位數(shù)要求取決于具體應(yīng)用的功率電平和帶寬要求。1MHz時(shí)可以實(shí)現(xiàn)97%以上的效率，4MHz時(shí)可以實(shí)現(xiàn)94%以上的效率。